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[article pii="nd" doctopic="oa" language="es" ccode="conicyt" status="1" version="4.0" type="gra tab" order="17" seccode="cds020" sponsor="nd" stitle="Cienc. suelo" volid="34" issueno="2" dateiso="20161200" fpage="365" lpage="372" pagcount="8" issn="1850-2067"]NOTAS

[front][titlegrp][title language="es"]Análisis del carbono total, orgánico e inorgánico en suelos de la región semiárida pampeana Argentina[/title][/titlegrp]

[authgrp][author role="nd" rid="a01" corresp="n" deceased="n" eqcontr="nd"][fname]NANCI[/fname] [surname]KLOSTER[/surname][/author]^1*; [author role="nd" rid="a01" corresp="n" deceased="n" eqcontr="nd"][fname]MICAELA[/fname] [surname]PÉREZ[/surname][/author]¹ & [author role="nd" rid="a01" corresp="n" deceased="n" eqcontr="nd"][fname]ALFREDO[/fname] [surname]BONO[/surname][/author][/authgrp]¹

¹ [aff id="a01" orgname="INTA" orgdiv1="EEA Ing. Agr. Guillermo Covas Anguil"]EEA «Ing. Agr. Guillermo Covas» Anguil, INTA.[/aff]
* Autor de contacto: kloster.nanci@inta.gob.ar

[bibcom][hist]Recibido: [received dateiso="20160405"]05-04-16[/received]
Recibido con revisiones: [revised dateiso="20160518"]18-05-16[/revised]
Aceptado: [accepted dateiso="20160529"]29-05-16[/accepted][/hist]

RESUMEN

[abstract language="es"]Existe una fuerte motivación por el desarrollo de métodos precisos y exactos para determinar carbono (C) en suelos, debido a la importancia agronómica y medioambiental de este elemento. En suelos calcáreos el C total (C_T) consiste de fuentes de C orgánico (C_org) e inorgánico (C_inorg). Es por esto que al momento de realizar estudios de dinámica del C_org del suelo, se requiere un método que permita cuantificarlo sin interferencias de la fracción inorgánica. En este trabajo se determinó la aptitud del método instrumental de combustión seca empleando un equipo LECO Truspec CN para el análisis de C_T, de C_org y de C_inorg y se compararon los resultados obtenidos con el método clásico de oxidación húmeda para C_org y con el método de titulación simple para C_inorg. Los resultados obtenidos presentaron una baja relación (R² = 0,62) entre el método de oxidación húmeda y el método de combustión seca cuando se analizaron todas las muestras bajo estudio. Sin embargo, dicha relación mejoró cuando se consideran únicamente muestras con ausencia de carbonatos (R² =0,95). En suelos con presencia de carbonatos se plantea como opción la estimación del C_org por combustión seca a partir de la diferencia entre C_T y C_inorg . Además se evaluó la relación entre el método de titulación simple para determinación de C_inorg y el método de combustión seca obteniendo un elevado coeficiente de determinación (R² =0,99). A partir de los resultados obtenidos se concluye que el método de combustión seca no es preciso para la determinación directa del C_org en muestras de suelo con presencia de calcáreo, siendo necesario aplicar métodos que permitan diferenciar el C de diferente naturaleza.[/abstract]

Palabras clave: [keygrp scheme="nd"][keyword type="m" language="es"]Combustión seca[/keyword]; [keyword type="m" language="es"]Oxidación húmeda[/keyword]; [keyword type="m" language="es"]Titulación simple[/keyword][/keygrp].

Assessment of total, orgnic and inorganic carbon in soils of demiarid Argentinian Pampas

ABSTRACT

[abstract language="en"]The development of precise and accurate methods to determine carbon (C) in soils has currently a strong motivation due to agricultural and environmental importance of this element. In calcareous soils, the total C (C_T) consists of sources of organic (C_org) and inorganic (C_inorg) C. When are realized dynamics studies of soil C_org, a method to quantify it without interference from the inorganic fraction is required. In this paper, it was used the dry combustion method by the TruSpec CN (LECO) instrument for analysis of C_T, C_org and C_inorg and compared the results obtained with the classical method of wet oxidation for C_org and the titration method for C_inorg. The results indicate a low ratio (R² = 0.62) between the wet oxidation and dry combustion methods with all samples analyzed under study. However, this relationship improves when considering only samples with no carbonates (R² = 0.95). Thus Estimating C_org as the difference between C_T and C_inorg it could be an option in calcareous soils. Furthermore we evaluated simple titration and dry combustion method for determining C_inorg obtaining a high determination coefficient (R² = 0.99). Dry combustion method is not suitable for direct determination of C_org in soil samples with presence of C_inorg, being necessary the application of methods to differentiate carbon sources.[/abstract]

Key words: [keygrp scheme="nd"][keyword type="m" language="en"]Dry combustion[/keyword]; [keyword type="m" language="en"]Wet oxidation[/keyword]; [keyword type="m" language="en"]Simple titration[/keyword][/keygrp][/bibcom].[/front]

[body]INTRODUCCIÓN

La productividad potencial de los suelos está influenciada por los contenidos de materia orgánica, un elemento clave asociado con la fertilidad de los suelos (Milne et al., 2015). Esto es particularmente importante en ambientes semiáridos y subhúmedos, donde influye favorablemente sobre la dinámica del agua y de los nutrientes (Quiroga et al., 2008). Las prácticas agrícolas, tales como siembra directa, la utilización de cultivos de cobertura y el uso de fertilizantes, mantienen o incrementan el contenido de materia orgánica y por lo tanto permiten mejorar el uso del suelo (Álvarez et al., 2013; Álvarez et al., 2015). Sin embargo, la labranza de suelos vírgenes, en general reduce el contenido de materia orgánica, lo cual deriva en el deterioro del recurso (Bono et al., 2008).
La materia orgánica del suelo está constituida por todas las sustancias orgánicas carbonadas. Representa un sistema complejo de sustancias cuya dinámica es gobernada por el aporte de residuos orgánicos de diversa naturaleza y por la transformación continua a través de factores biológicos, químicos y físicos (Hayes, 2009). El principal constituyente de la materia orgánica es el carbono, que llega a representar entre el 40 y el 60% de su composición dependiendo del grado de transformación. El carbono orgánico (C_org) del suelo representa un componente significativo del pool de C global y sus transformaciones regulan el contenido de dióxido de carbono en la atmósfera (Álvarez, 2005).
Al ser el C uno de los componentes más importantes de los suelos, su identificación y cuantificación permite clasificarlos, evaluar su fertilidad y estimar el riesgo de erosión. En suelos calcáreos, típicos de la Región Semiárida Pampeana, el C total está compuesto por fuentes de C_org e inorgánico (C_inorg) (INTA et al., 1980). Es por esto que al momento de realizar estudios de dinámica del C_org , se requiere un método que permita cuantificarlo sin interferencias de la fracción inorgánica (Ramnarine et al ., 2011).
Existe una fuerte motivación por el desarrollo de métodos precisos y exactos que permitan determinar el contenido de C de diferente naturaleza en los suelos, debido a la importancia agronómica y medioambiental de este elemento. El método tradicional para analizar C_org en suelos es el método de oxidación húmeda (Walkley & Black, 1934). Los métodos de oxidación húmeda requieren instrumentación simple y son relativamente de bajo costo económico. Sin embargo presentan la desventaja de su elevado costo operativo, el empleo de reactivos peligrosos y la generación de un volumen de residuos importante. Existen varios métodos para cuantificar C_inorg en suelos, los más utilizados son aquellos que analizan el dióxido de carbono liberado luego de reacción de los carbonatos del suelo en medio ácido. El método del calcímetro de presión y el método gravimétrico requieren del empleo de aparatos de vidrio diseñados específicamente para dicho propósito (Loeppert & Suarez, 1996). El método de titulación simple se plantea como una alternativa cuando no se dispone de dichos aparatos, dado que solo requiere del uso de frascos con tapa a rosca para contener la muestra (Loeppert & Suarez, 1996).
El método de combustión seca basado en el principio de Dumas (Bremner, 1996) es una de las técnicas más importantes para determinar concentraciones de C y N en materiales de origen orgánico y mineral (Wright & Bailey, 2001). En dicho método las muestras son sometidas a una atmósfera de oxígeno y muy altas temperaturas (950-1000 ºC), generando gases como dióxido de carbono y óxidos de nitrógeno, los cuales son colectados y analizados mediante una celda de detección infrarrojo y una celda de conductividad térmica respectivamente (Nelson & Sommers, 1996). A diferencia de los métodos tradicionales de oxidación húmeda, esta técnica es poco laboriosa, no utiliza reactivos tóxicos y el volumen de reactivos generados es mínimo. Sin embargo el capital inicial involucrado al momento de adquirir equipos automatizados, limitan su amplia adopción. En Argentina existen antecedentes de uso de éstos equipos desde principios del siglo XXI (Lazzari et al., 2001; Díaz-Zorita& Grove, 2002; Galantini et al., 2002; Blanco et al., 2005; Bongiovanni & Lobartini, 2009; Eyherabide et al., 2014), pero se desconoce su efectividad para la discriminación de C_orgy C_inorg en suelos calcáreos (Eyherabide et al., 2014). Sin embargo a nivel internacional se han publicado algunos trabajos que indican que los analizadores automáticos que utilizan combustión seca para el análisis de C cuantifican tanto el C_org como el C_inorg. Para poder discriminar el análisis de C_org y C_inorg algunos autores proponen incorporar modificaciones instrumentales como la variación de temperatura o la masa de suelo analizada en el autoanalizador (Yamamuro & Kayanne 1995; Matejovic, 1997; Wright & Bailey, 2001; Gazulla et al., 2012). Otra alternativa pro- puesta es determinar el C_inorg empleando un método alternativo a la combustión seca, tal como la titulación simple (Bundy & Bremner, 1972), o la determinación de C_inorg sobre muestra previamente calcinada en mufla a 450 ºC para eliminación de C_org, y posterior estimación del C_org por diferencia (Byers et al., 1978; Wang et al., 2012).
A partir de los antecedentes mencionados se plantean como objetivos del trabajo: 1) Determinar la aptitud del método instrumental de combustión seca empleando el equipo LECO Truspec CN para el análisis de C_T, de C_org y de C_inorg ; 2) Comparar los resultados obtenidos por el método de combustión seca con el método clásico de oxidación húmeda para C_org y con el método de titulación simple paraC_inorg.

MATERIALES Y MÉTODOS

Muestras de suelo
Para realizar la comparación de métodos de análisis de C se utilizaron 47 muestras extraídas en capas de 20 cm hasta los 100 cm o la presencia de tosca, a partir de 12 perfiles de suelos de 10 sitios (Tabla 1). Los suelos, ubicados en la Región Semiárida Pampeana, se clasificaron como Haplustol Entico y Ustipsament Típico (Soil Survey Staff, 1999). Las muestras de suelo fueron secadas al aire y tamizadas con tamiz de 0,5 mm para análisis por combustión seca y oxidación húmeda, y con tamiz de 2 mm para análisis por titulación simple. Previo a su análisis se clasificaron según ausencia (A) o presencia (P) de calcáreo por reacción con ácido clorhídrico 30% v/v (Azcarate et al., 2012).

Tabla 1. Clasificación, profundidad de muestreo, número de muestras y materia orgánica W&B a profundidad 0-20 cm de cada sitio evaluado.
Table 1. Classification, Depth and quantity of soil samples, and organic matter 0-20 cm from de evaluated sites.

*manto calcáreo por debajo de profundidad de muestreo.
**dos perfiles por cada sitio.

Análisis de carbono por combustión seca
El método de combustión seca (Nelson & Sommers, 1996) se utilizó para el análisis de C_T y de C_inorg, empleando un equipo Truspec CN (LECO). El análisis de muestras por combustión seca se llevó a cabo de acuerdo a los parámetros recomendados por el fabricante del equipo (LECO Corporation, 2005), empleando oxígeno y helio de grado 5.0. Previo al análisis de muestras incógnitas, el equipo fue calibrado empleando un suelo de referencia certificado (LECO). De acuerdo con las recomendaciones del fabricante, una regresión lineal fue utilizada para el ajuste de la curva de calibración.
El C_T se determinó sobre muestras de suelo seco y tamizado, mientras que para el análisis de C_inorg las muestras fueron previamente calcinadas en mufla a 430 ºC durante 2 hs para eliminar el C_org (Davies, 1974; Wright & Bailey, 2001). El C_org se estimó por diferencia entre el C_T y el C_inorg (Nelson & Sommers, 1996). Se evaluó la recuperación de C_inorg por calcinación en mufla, realizando análisis sextuplicado de carbonato de sodio y carbonato de calcio, ambos de calidad pro-análisis. Además, para analizar la interferencia de C_inorg en la determinación de C_org en muestras de suelos calcáreos, se realizó un ensayo de adición de masas crecientes de carbonato de calcio pro-análisis (0,001 g a 0,020 g) a una muestra de suelo no calcáreo con un contenido de C_T de 1,4%. Esto debería indicar si la detección y cuantificación de C_inorg es lineal a su concentración, es decir, si se cuantifica todo el C_inorg presente en las muestras.

Análisis de carbono por oxidación húmeda
El análisis de C_org fácilmente oxidable en muestras de suelo se realizó empleando el método de Walkley & Black (1934). Se pesaron 1,00 g de la muestra y se añadieron 5 mL de solución de dicromato de potasio 0,167 mol L^-1 y 10 mL de ácido sulfúrico. Se dejó en reposo durante 30 min sobre una superficie de material aislante térmico para evitar la pérdida de calor. Luego se adicionaron 15 mL de agua destilada y se dejó reposar hasta alcanzar la temperatura ambiente. Para realizar la titulación del exceso de dicromato se agregaron 3 a 4 gotas de solución indicadora de ácido difenilaminosulfónico 4-sal de bario 0,5%, 1 mL de ácido fosfórico y se añadió la solución de sal de Mohr (Sulfato de amonio y hierro (II) hexahidratado) 0,5 mol L^-1 hasta el viraje del indicador del color azul al verde. Paralelamente se desarrolló un blanco sin muestra de suelo. Para expresar el resultado como C_org total, se utilizó el factor de corrección de 1,3 que considera una oxidación promedio del 77% (Walkley & Black, 1934).

Análisis de carbono por titulación simple
El análisis de C_inorg por el método de titulación simple se realizó siguiendo el procedimiento descripto por Loeppert & Suarez (1996). Se pesaron 5,00 g de la muestra, y se colocó en un frasco de reacción. Además se colocó 5 mL de solución de hidróxido de sodio 2 mol L^-1 en un recipiente pequeño ubicado dentro del frasco de reacción. Posteriormente se añadieron 20 mL de ácido clorhídrico 2 mol L^-1 sobre la muestra de suelo y se cerró el frasco de reacción inmediatamente para evitar pérdidas de dióxido de carbono. Se movió el frasco tapado de forma suave para garantizar el contacto total del ácido clorhídrico adicionado con el suelo y se dejó en reposo durante 24 hs. Transcurrido el tiempo de reacción, se extrajo el recipiente con hidróxido de sodio, sobre el cual se recogió el dióxido de carbono liberado y se trasvasó a un erlenmeyer de 100 mL. Se adicionó 5 mL de agua destilada para obtener un volumen final de 10 mL. Se adicionaron 3 gotas de indicador fenolftaleína y se tituló hasta punto final con ácido clorhídrico 1 mol L^-1. Luego se adicionaron 3 gotas de indicador Verde de Bromocresol y se tituló hasta punto final con ácido clorhídrico 0,1 mol L^-1. Se registró este último volumen de ácido y se calculó el % de C_inorg. Para verificar la aptitud del método se evaluó la recuperación de C_inorg realizando análisis sextuplicado de carbonato de calcio pro-análisis.

Análisis estadístico
Se extrajo una muestra de cada profundidad y cada sitio, la cual fue analizada por duplicado en el laboratorio. Se utilizó el programa InfoStat (Di Rienzo et al., 2015) para el análisis de resultados. Se comprobó la normalidad de los datos mediante QQ plot y test Shapiro Wilks. La comparación de los métodos para análisis de C se realizó a partir de gráficos de dispersión. Se evaluó la regresión lineal entre los siguientes métodos:

• C_org oxidación húmeda vs C_T combustión seca
• C_org oxidación húmeda vs C_org combutión seca (C_T - C_inorg)
• C_inorg titulación vs C_inorg LECO

Se trabajó con partición de muestras según ausencia o presencia de C_inorg para lograr el mejor modelo de la regresión.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El análisis de regresión lineal arrojó una baja relación (R² =0,62) entre el C_org por oxidación húmeda y el C_T determinado por el método de combustión seca, lo cual se asocia a que los métodos cuantifican compuestos de C de diferentes orígenes (Fig. 1.a). Mientras que el método de oxidación húmeda determina C_org, el método de combustión seca cuantifica C_T, es decir C_org y C_inorg. Las muestras tienen contenidos variables de C_org bajo la forma de carbonatos de calcio y magnesio (INTA et al., 1980), lo cual podría explicar la dispersión observada en la regresión. Estos resultados difieren de los obtenidos por Eyherabide et al. (2014) quienes hallaron una alta relación entre los métodos (R² ≈ 0,98-0,99), trabajando con suelos no calcáreos de contenido de C_org variable (0,63 a 8,99 g 100g^-1), a 0-20 cm de profundidad.

Figura 1. Relación entre el método de oxidación húmeda y el método de combustión seca para la cuantificación de C en muestras de suelo: (a) todas las muestras, (b) muestras con reacción al ácido clorhídrico, (c) muestras sin reacción al ácido clorhídrico. (p<0,01).
Figure 1. Relation between wet oxidation and dry combustion methods for C quantification in soil samples: (a) all studied samples, (b) samples with hydrochloric acid reaction, (c) samples with no hydrochloric acid reaction. (p<0.01).

Para determinar si la dispersión en la regresión se debe a contenidos variables de C_inorg, las muestras se particionaron según reacción a la adición de ácido clorhídrico 30% v/v obteniéndose dos grupos: muestras con reacción al ácido clorhídrico, lo que determina alguna presencia de C_org (P) y muestras sin reacción al ácido clorhídrico, es decir libres de C_org (A). De esta manera, se observó una mayor dispersión de los datos en el caso de las muestras con presencia de C_org (R² =0.39) lo cual indica que los dos métodos están cuantificando fracciones de C diferentes (Fig. 1.b). Mientras que el método de combustión seca empleando el equipo Truspec CN determina C_T, es decir C_org + C_inorg, el método de oxidación húmeda determina solo C_org, por lo que la correlación entre los métodos es escasa cuando las muestras de suelo contienen C_inorg.
En el caso de las muestras sin C_inorg, se observó una estrecha relación (R² =0,95) entre los métodos de oxidación húmeda y combustión seca (Fig. 1.c). Estos resultados coinciden con los obtenidos por Eyherabide et al. (2014) sobre muestras de suelos Molisoles con ausencia de carbonatos.
En suelos con presencia de carbonatos se utilizó como alternativa la estimación del C_org a partir de la diferencia entre C_T y Cinorg obtenidos por el método de combustión seca y se obtuvo una buena relación en la regresión con C_inorg (W&B) (R² =0,92) (Fig. 2). Este método de estimación de C_org por diferencia está documentado en la literatura para análisis de sedimentos marinos (Byers et al., 1978) y se sugiere como alternativa para el análisis de suelos con cantidades variables de carbonato de calcio (Wright & Bailey, 2001). Se destaca en ambos casos la necesidad de controlar las posibles pérdidas de C_inorg durante la etapa de calcinación en mufla. En este trabajo las posibles pérdidas de C_inorg se estudiaron evaluando la recuperación de C_inorg de dos reactivos de calidad pro-análisis: carbonato de sodio y carbonato de calcio, mediante análisis por combustión seca luego de la etapa de calcinación en mufla a 430 ºC. La recuperación de C_inorg fue de 88 y 109% respectivamente, lo que indicaría que las pérdidas de carbonatos durante la calcinación a 430 ºC son aceptables para el posterior análisis de C_inorg por combustión seca (AOAC, 2005).

Figura 3. C_T determinado por combustión seca sobre una muestra de suelo (C_org =1,52 g 100g^-1) con concentraciones crecientes de C_inorg.
Figure 3. C_T analyzed using dry combustion on a soil sample (C_org =1.52 g 100g^-1) with C_inorg added.

En la Figura 3 se expone el C_T determinado por combustión seca en función de la concentración de C_inorg adicionado a una muestra de suelo de concentración conocida de C_org. Puede observarse que hay un incremento lineal (R² =0,99) del C_T detectado por combustión seca en función del agregado de concentraciones crecientes de C_inorg. En estudios realizados por Wright & Bailey (2001) se observó que los perfiles de incineración a temperaturas menores de 1000 ºC minimizan la descomposición de carbonato de calcio, mientras que a temperaturas de 1300 ºC se maximizó la recuperación de C_T. Esto coincide con los resultados de Matejovic (1997) los cuales indicaron una mayor recuperación de C_inorg proveniente de carbonatos con el aumento de la temperatura de combustión. Al encontrar que la cuantificación de carbonatos es dependiente de la temperatura, así como de la cantidad de muestra, la velocidad de oxidación y el flujo de oxígeno, éste concluye que la recuperación de C_inorg debe ser verificada para cada analizador. Con el equipo TruSpec CN, a la temperatura de combustión recomendada por el fabricante (950 ºC), se observó que la recuperación de C_inorg adicionado a una muestra de suelo oscila entre 80 y 100%.
El estudio de recuperación de C_inorg a partir de carbonato de calcio empleando el método de titulación simple fue de 93 a 101%, por lo que el método es apto para su aplicación en la determinación de C_inorg en suelos. Además se obtuvo una estrecha relación entre el contenido de C_inorg determinado por titulación simple y por el método de combustión seca en muestras previamente calcinadas en mufla a 430 ºC para eliminar C_org (R² =0,99) (Fig. 4). Si bien el método de titulación simple ha sido documentado en la literatura (Bundy & Bremner, 1972; Loeppert & Suarez, 1996), su comparación con el método de combustión seca no ha sido publicada hasta el momento. Recientemente Wang et al. (2012) compararon los resultados del método volumétrico de Scheibler (ONORM, 1984-1999) con el método de combustión seca para el análisis de sedimentos. Estos autores observan que el contenido de C_inorg determinado por combustión seca es comparable al obtenido con el método volumétrico. Se sugiere que tanto el método de titulación simple como el de combustión seca pueden ser utilizados para el análisis de C_inorg de acuerdo a la disponibilidad y recursos de los laboratorios de análisis.

Figura 4. Relación entre el contenido de C_inorg determinado por titulación simple y por combustión seca en muestras de suelo con presencia de calcáreo previamente calcinadas. (p<0,01)
Figure 4. Relation between C_inorg obtained for simple titration and dry combustion on pre-calcined calcareous soil samples. (p<0.01)

CONCLUSIONES

La elección del método para determinar C_org en suelos de la Región Semiárida Pampeana dependerá de la presencia o no de C_inorg. Si la reacción al ácido clorhídrico es negativa, el método de combustión seca es un método útil para determinar C_org y sus resultados tienen una estrecha relación con los obtenidos mediante el método de oxidación húmeda. En suelos con reacción positiva al ácido clorhídrico, el método de oxidación húmeda es el recomendado para el análisis de C_org. Un método alternativo para determinar C_org en suelos con calcáreo es la estimación a partir de la diferencia entre el C_T y el C_inorg. La cuantificación de C_inorg en suelos con presencia de calcáreo puede realizarse con el método de oxidación seca previa calcinación de la muestra en mufla para eliminación de C_org, aunque el método de titulación simple es una alternativa más económica, arrojando resultados similares a los obtenidos por combustión seca.[/body]

[back]AGRADECIMIENTOS

Los autores desean agradecer al Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA, EEA Anguil) por haber facilitado el apoyo económico e infraestructura para realizar el presente trabajo.

BIBLIOGRAFÍA

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